大规模高效能计算之体系软件主要技术研讨

李清

摘要：首先分析了大规模高效能计算的发展和研究现状，探讨了大规模高效能计算之体系软件的主要体现的几个方面：系统软件的功耗管理、用户环境的虚拟化、虚拟化环境中的功耗管理以及虚拟化技术在高效能计算领域中的应用前景，并对未来大规模高效能计算之体系软件主要技术的发展进行分析和展望。

关键词：高效能计算；系统软件；虚拟化

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）06-0228-02

随着信息技术的飞速发展，计算机技术更新日新月异，传统的维性能时代已渐渐远去，大规模高效能计算已经成为未来信息技术发展的必然趋势。高效能计算体系是由美国国防部在2002年首先提出的以大规模高效能计算作为未来计算机发展的主导力量。高效能子最早是在经济学中出现的，它的含义是以较少的投入量在较短的时间内极大地创造出更多的价值，实现各方效益的最大化。在计算机领域，大规模高效能计算则主要是指在尽短的时间内以最小的设备投入、资金投入和人力投入完成复杂的、超量的有效计算。我国863计划也将高效能计算作为高端计算体系的重要研究对象。大规模高效能计算在体系软件方面主要的体现可分为以下几点：1）高效能。计算机的计算性能是由硬件的性能、大规模高效能体系的软件以及应用程序共同决定的；2）低成本。尽可能地降低建设、运行和维护的费用是实现大规模高效能计算的重要条件之一；3）可靠性。计算机运行的可靠性一直是困扰高效能计算技术领域发展的重要因素之一，所以研制和开发出性能可靠的具有大规模高效能运算能力的计算机实现云计算的重要前提。通过设计和开发具有管理计算机运行功能的系统软件是未来高效能计算发展的必然趋势；4）易用性。大规模高效能计算机需要以系统软件作为运行平台，能够为用户提供能高效、方便的程序设计和运行环境实现计算机的易用性是系统软件的重要所在；5）数据的安全性。大规模高效能计算是集诸多数据库为基础，以系统的云计算为核心的应用平台，数据的安全性是整个体系正常运行的重要保证。本文对大规模高效能计算的系统软件进行技术探讨。

1 高效能计算技术

大规模高效能计算技术渗透于现代生活的各个方面，涉及现代科学技术的诸多领域，包括航空航天、现代通信、天气预测、交通管理、工程机械、现代建筑、土木工程、资源勘探、海洋研究、深空探测等。自从1946年2月15日世界第一台电子计算机问世到计算能力达以亿次衡量的超级计算机的应用，计算机的发展得到了长足的进步，计算机的应用也有传统意义上的单纯的计算到在工业和农业领域大规模的广泛运用，整个发展过程经历了一次又一次的技术变革。现代计算机的广泛运用与系统软件的日益更新密不可分。

2 系统软件的技术探讨

2.1系统软件的功耗管理

功耗在物理上定义为功率的损耗，指的是仪器、设备、元器件等的输入功率和输出功率之间的差值。功耗问题不仅在我们的日常家用用电设备中经常出现，而且在现今的各类型的高效能计算机中也普遍存在。对于百万亿次和千万亿次以上的高性能计算机，它们通常都含有大量的结点，功耗问题与系统性能的极速提升和功耗密度的增长是成正比例增长的，这不仅为现在日益紧缺的用电资源背道而驰，也严重地制约了高性能计算机的发展。

计算机系统软件的功耗管理包含峰值功耗和能效两个方面。大规模高效能计算的基本要求是尽可能地控制峰值功耗。通过系统软件的开发与应用有效地调配大规模系统中的存在的大规模的空闲活跃节点，对节点进行管理和分类，建立以节点分类为基础的功耗管理模式，尽量降低采样和控制的规模。以系统软件为背景动态调整空闲节点睡眠模式、基于设备内部时钟保持正常运行状态的设备掉电模式和基于基于设备内部时钟停止运行状态的设备掉电模式。

2.2用户环境的虚拟化

虚拟化是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟成多台逻辑计算机的一种手段。在一台计算机上能够同时运行多个逻辑计算机，而且每个逻辑计算机也可同时运行不同的操作系统，并且它们的应用程序都可以在相互独立的空间内正常的运行而彼此之间不受影响，从而显著提高计算机的计算能力和工作效率。虚拟化使用软件的方法能够重新的定义划分IT资源，能够实现IT资源更有效地完成动态的分配，灵活的调度，跨域共享，显著地提高IT资源利用率，使IT资源能够真正地成为服务现实大众的社会基础设施，能够更好地服务于各行各业中灵活多变的应用需求。

作为网格系统中的一个重要的计算资源，未来的高效能计算机

更需要一个能够适应网格环境的编程模型和计算模式以及开发运行和系统管理等的优良环境。

2.3 虚拟化环境中的功耗管理

传统的功耗管理可通过对系统的硬件设施和软件程序进行升级和改造就能达到显著地降低功耗的目的。与现实生活中传统的功耗管理不同的是虚拟化环境中的功耗管理不能直接地去控制硬件设施，这是由于用户操作系统对整个系统的执行状态和行为完全未知。整个系统的执行行为不被客户操作系统了解，硬件不可直接被控制；如果硬件状态被虚拟机直接进行改变，就会影响其他虚拟机在同一硬件平台上的运行，隔离特征是虚拟机破坏最基本的特征。在虚拟化实现层研究系统功耗的管理是面向虚拟机环境的功耗管理技术主要集中的领域，而提供给虚拟机内用户的设施极其缺乏，实现系统功耗的优化只能依靠已有的功耗管理技术来实现。

2.4虚拟化技术在高效能计算领域中的应用前景

虚拟化在大规模高效能计算领域的应用还处于初级阶段，但一些典型的应用系统已经如雨后春笋般地开始出现，如粒子探测器仿真系统已用于高能物理的仿真实验，综合实验环境仿真系统被用来进行Botnet 研究，起落架协同仿真系统被用于复杂产品仿真等。

现代工业生产中，真实产品的制造是依靠虚拟制造的动态模拟的。虚拟制造是一种软件技术，这种软件技术是在计算机上通过模拟大规模复杂产品制造而发展起来的。具有建模和仿真环境是虚拟制造的典型特征，它在产品生产、工艺设计、调度计划、后勤安排、财会管理、市场采购等过程为产品提供了一个集成的制造环境，能够预测产品的功能和制造系统的工作状态是虚拟制造在真实产品的制造活动广泛地被推广和应用的重要基础。信息技术、仿真技术和虚拟现实技术是虚拟制造作为一种新的制造技术的重要支持。集中管理和共享资源是虚拟化技术常常采用的一种用来提高资源的利用率和实现资源的自动满足需求的方法。

虚拟化在虚拟制造中具有广阔的应用前景。现代工业中的汽车制造、飞机设计制造、国防建设、航空航天、电力交通等重要领域都有广泛的应用。在今后的发展中，迈向虚拟化、网络化、数字化、集成化、协同化方向的发展趋势是虚拟制造在建模与仿真技术发展的方向，它为研究虚拟化高效能仿真系统提供了广阔的发展和应用前景， 与此同时，虚拟化技术扩展和丰富了网络化建模与仿真技术的内涵和应用。

3 大规模高效能计算之体系软件未来发展

从高性能计算转变成高效能服务是未来高效能计算发展的必然趋势，而制约高效能计算技术发展的瓶颈是缺乏一种适合于高效能计算资源所需要的自然特性的计算环境，所以引入新的高效能计算资源管理方法势在必行。高效能计算系统中能够运用虚拟化技术，不仅使高效能计算资源管理的方式，访问的方式和使用方式的到有效改变，而且使整个计算系统中的资源利用率得到显著地提升，继而使从计算系统的效能从整体上得到提升。面对大规模高效能计算出现的问题，大规模计算系统的效能的而研究可以从系统软件的角度进行研究，兼顾功耗管理中常出现的多个目标，设计合理的解决功耗管理问题的方案，实现系统软件完成大规模高效能计算。通过虚拟化管理实现传统物理功耗管理机制与虚拟化功耗管理机制完全的有机兼容，为大规模高效能计算之体系软件未来的发展开辟新的方向。

参考文献：

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